光伏阵列风荷载变化规律研究

周启港 钟 旻,2 周占学* 龙浩楠

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.江苏开放大学，南京 210000)

0 引 言

近年来世界能源紧缺的形势愈演愈烈，可再生能源的开发与利用逐渐成为各国重点关注的领域.太阳能光伏板作为采集太阳能这种理想能源的重要途径，常因风致破坏造成损失.目前规范只给出了单个太阳能光伏板结构风荷载的取值建议，但规范与实际工程存在较大区别.贺广零等[1]通过风洞试验指出光伏板表面风荷载分布为梯形分布；马文勇等[2]给出了3种光伏板表面风荷载分布形式，并给出了每种分布形式所适用的情况；许宁等[3]通过数值模拟指出，由于遮挡效应，下游光伏班的风荷载由不同程度的衰减，并且离地高度的改变也会改变光伏板的风荷载；马文勇等[4]通过研究指出，底部阻塞会减弱光伏板的最强风压力及风致弯矩；阮辉等[5]通过数值模拟研究了间距对光伏阵列风荷载的研究，指出间距的改变会影响到光伏阵列中光伏板的风荷载，但对于不同位置的光伏板的影响并不相同.江继波等[6]等人利用数值模拟方法分析了风向角、光伏阵列的安装倾角和光伏板纵向间距对光伏阵列上的风荷载及其所受弯矩的影响，分析结果表明光伏板体型系数和弯矩系数的极值分别对应着不同的风向角.Onur等[7]通过风洞试验结合数值模拟的研究方法，指出光伏板倾角越大，产生的漩涡脱落越强.马文勇等[8]通过风洞试验指出，光伏板迎风面与背风面的折减效应不同，光伏板倾角越大，折减效应越明显.

由于存在遮挡效应，风向角与光伏板倾角皆会影响光伏阵列中的光伏板风荷载取.因此本文通过风洞测压试验对一处于不同风向角下、不同倾角的2列3排的光伏阵列的风荷载进行对比研究.

1 试验介绍与参数定义

1.1 试验模型及场地介绍

试验在湖南大学HD-3风洞实验室进行，该风洞实验室试验段截面高3 m，宽2.5 m，试验允许模型最大投影面积为0.375 m2,试验段长度10 m，转盘直径1.8 m，本次试验的输入风速为10 m/s.

光伏板模型为刚性模型，板面材料为ABS，单个光伏板板面长200 mm，宽100 mm，缩尺比为1：10.整个模型由板面、立柱两部分组成，每个光伏板正反面布置成对测点，每一个板的每一面有8个测点，全板共16个测点，整个阵列共96个测点.为防止压迫测压软管，导致测压误差，将光伏阵列置于以600 mm×1200 mm的胶合木板上，试验测点布置、模型实物与风向角设置如图1所示，为方便讨论对阵列每个板进行变化如c)所示.风场的模拟依据《建筑结构荷载规范》，采用挡板、粗糙等元装置在风洞中模拟了B类风场，其风剖面及湍流度如图2所示.

图1 试验模型及布置

图2 平均风速剖面和湍流度剖面

1.2 试验工况

根据我国所处纬度，固定式光伏板倾角主要为10°～40°，因此本试验对0°、10°、20°、30°、40°四个倾角的光伏阵列进行对比研究，工况设置如表1.

表1 工况设置

本实验模型最大投影面积为0.36 m2，该风洞实验室允许最大投影面积为0.375 m2，符合《建筑结构荷载规范》规定的小于5%的最大阻塞率的要求.本实验所用电子扫描阀采样频率为330 Hz，每个测点采集10000个数据.

1.3 试验参数

测点风压系数与测点风压平均系数按下式计算：

(1)

(2)

式中，CPi为模型上测点i的风压系数；Pi为该测点的压力值；P0为参考静压；ρ为空气密度；V0为参考点的试验风速；CPimean为测点风压平均系数；N为采样点数目，本次试验N=10000.本次试验，参考点高度取0.6 m，对应原型结构高度6 m，参考点风速为7.6 m/s.

净风压系数分别按下式计算：

(3)

2 试验结果及分析

2.1 倾角与风向角的影响

图3给出了不同倾角的光伏阵列中，各板的净风压平均系数与风向角的关系.由图可知，在10°倾角时，光伏阵列中净风压系数绝对值的最大值为120°风向角时的A板，其余倾角的光伏阵列中，净风压系数绝对值的最大值皆为0°风向角下的A板与D板.

图3 不同风向角下光伏阵列各板的净风压系数

由于转台为逆时针旋转，当风向角为0°～90°时，D板始终在阵列最前端，90°～180°时，F板始终在阵列最前端，导致D板与F板分别在0°～90°的风向角与90°～180°的风向角下不受遮挡效应的影响，因此为研究风向角对光伏阵列的影响，将D板与F板分别作为0°～90°风向角与90°～180°风向角的参考.

0°风向角时，各个倾角下，A、D两板净风压平均系数皆大于B、C、E、F板.30°风向角时，A、D两板净风压系数降低，但B、C、E、F板因A、D两板的遮挡作用减弱而呈现增大的趋势.当风向角到达60°时遮挡作用进一步减弱，A、D两板的净风压系数更加接近B、C、E、F板.参考D板，由于风向角增加D板净风压系数逐渐降低，因此60°风向角时，虽然遮挡效应的影响降低，但各板的净风压系数依然下降.

120°风向角时，各个倾角下的光伏阵列中，F板的负压最小，光伏阵列中后排各板的负压皆大于第一排光伏板，与0°～90°风向角相反.150°风向角时，F板负压继续增大，其余各板因遮挡效应的作用，负压逐渐减小.180°风向角时，10°倾角与20°倾角的光伏阵列中，C、F两板负压略微减小，其余各板负压减小，且小于C、F两板.

各种倾角下，光伏阵列中的各板随风向角改变的变化趋势一致，但10°倾角下的光伏阵列，当风向角为30°时，后排光伏板风荷载会超过第一排光伏板，此时其他倾角下的光伏阵列，D板始终大于后排光伏板，因此10°倾角的光伏阵列，与其他倾角的光伏阵列风荷载分布存在一定区别.

试验表明，倾角为20°～40°、风向角为0°～90°时，光伏阵列中风荷载最大的光伏板为D板，当风向角为120°～150°时，风荷载最大的光伏板为A板，180°风向角时风荷载最大的光伏板为C板.不同倾角、不同风向角下的光伏阵列，最大风荷载的光伏板并不相同.

图4给出了各个风向角下，不同倾角的各个光伏板的净风压系数.由图可知，不同风向角下，倾角越大，光伏阵列各板的风荷载越大.值得注意的是，90°风向角时，不同倾角的光伏阵列，各板的净风压系数基本并未因倾角改变而发生变化.

图4 不同倾角下光伏阵列各板的净风压系数

2.2 平均风压与脉动风压分布对比

由于D、F两板分别为0°～90°与90°～180°时最前排的光伏板，而在各个风向角下，C板始终受到遮挡效应的影响，因此选择D、E、F三板进行对比研究.根据前人研究成果，10°倾角的光伏板风荷载与其他倾角时分布规律不同，因此选择10°倾角与30°倾角的光伏阵列进行研究.

当10°倾角时，C、D、F三板在不同风向角下的平均风压系数与脉动风压系数等值线图如图5～7所示.由图可知，除0°与180°风向角下的D板平均风压与脉动风压规律分布不同外，其他工况下，C、D、F三板的平均风压分布规律与脉动风压分布规律相似，平均风压绝对值越大的区域，脉动风压越大.随着风向角改变，风压停滞区逐渐向左移动，之后向右移动回到中部位置，此时脉动风压变化规律与平均风压变化规律一致.

图5 10°倾角D板平均风压与脉动风压等值线图

图7 10°倾角F板平均风压与脉动风压等值线图

图8给出了30°倾角时，D板的平均风压系数与脉动风压系数等值线图，由图可知，30°倾角下，D板的平均风压分布规律与脉风压一致.结合图6～图8可知，除0°风向角、10°倾角的光伏阵列的第一排光伏板除外，其他工况下，个位置的光伏板的平均风压与脉动风压的分布规律基本一致，这意味着光伏板表面风压大的地方，风荷载也更加不稳定，在设计光伏支架时，不仅需考虑风致弯矩造成的破坏，也需考虑疲劳破坏.由图5与图8可知，不同倾角下的光伏阵列中的D板其脉动风压随风向角变化与平均风压随风向角变化的规律并不相同，因此需具体工况具体分析.

图8 30°倾角D板平均风压与脉动风压等值线图

3 结 论

本文通过刚性模型风洞测压试验，对不同风向角不同倾角下的2列3排的光伏阵列进行风荷载研究，得出以下结论：

(1)倾角越大，光伏阵列中各板的风荷载越大，但90°风向角时，倾角对光伏阵列中各板的风荷载的影响极小.

(2)风向角为90°时，遮挡效应较弱，当风向角由90°变至0°或变至180°时，上游光伏板的遮挡作用效果会逐渐增加.当风向角为0°～90°时，除10°的光伏阵列外，其他倾角的光伏阵列中上游光伏板风荷载普遍大于下游光伏板，且风向角越小，上游光伏板与下游光伏板之间风荷载的差距越大.当风向角为120°时，上游光伏板风荷载小于下游光伏板，之后随着风向角增加，遮挡的作用效果增大，下游光伏班风荷载减小，并小于上游光伏板.

(3)随着风向角发生改变，平均风压与脉动风压在多数工况下分布规律一致，但倾角为10°时，可能存在平均风压与脉动风压分布规律不同的情况，并且风向角改变引起的风荷载大小的改变与脉动风压大小的改变并不一致，因此在设计光伏板结构时，除考虑风致弯矩造成的破坏的同时，也应考虑疲劳破坏.